2550

взаимовлияние, установленных и оставленных в работе элементов силового агрегата на его ресурс, необходимо учитывать при совершенствовании структуры эксплуатационно-ремонтного цикла (ЭРЦ) двигателя.

Используемая на автотранспортных предприятиях структура эксплуа- тационно-ремонтного цикла двигателей не рациональна поскольку не учитывает реальное изменение состояния силового агрегата и целесообразные формы ремонта.

Совершенствование структуры ЭРЦ двигателей целесообразно за счет обоснования рациональной периодичности восстановительных мероприятий, учитывающих изменяющееся состояние элементов двигателя при эксплуатации техники.

В результате проведенных исследований предлагается рациональная структура эксплуатационно-ремонтного цикла силового агрегата КамАЗ, при использовании автомобилей в условиях эксплуатации III категории. Совершенствованная структура ЭРЦ предусматривает:

проведение предупредительного ремонта при пробеге – 120 тыс. км; проведение капитального ремонта при пробеге – 200 тыс. км; проведение второго предупредительного ремонта при пробеге – 280 тыс.км. После этого рекомендуется списание автомобиля (рис. 1.11), при таком

подходе средний срок службы автомобиля, при 50 тыс. км в год, в среднем составит 7 лет эксплуатации [14].

Аналогичная структура эксплуатационно-ремонтного цикла для дизелей ЯМЗ предложена проф. А.С. Денисовым [15, 12].

Рис.1.11. Схемы структур обеспечения работоспособности двигателей: ПР – предупредительный ремонт; СП – списание

Пробеги до ремонтов указанны средними, их необходимо корректировать с учетом диагностирования технического состояния. Здесь

21

необходимо учитывать характеристики состояния силового агрегата при предупредительном и капитальном ремонтах (табл. 1.7 [14].

Т а б л и ц а 1.7

С учетом повторения выхода из строя элементов силового агрегата (табл. 1.8) и введением коэффициентов повторяемости планирование предупредительного ремонта значительно упрощается [14].

22

Т а б л и ц а 1.8

Силовые агрегаты автомобилей КамАЗ-Евро моделей 740.11-240, 740.13-260, 740.14-300, 740.30-260, 740.50-360, 740.51-320 имеют конструктивно-технологические и мощностные отличия по сравнению с силовым агрегатом КамАЗ-740. В данных двигателях увеличена мощность за счёт использования турбонаддува или увеличения рабочего объёма. Для повышения долговечности усовершенствована смазочная система: установлен односекционный масляный насос повышенной производительности, установлен теплообменник, повышено давление масла в системе, установлены форсунки для охлаждения поршней маслом. Изменения произошли в системе впуска и фильтрации воздуха, убран центробежный грязеуловитель в коленчатом вале и др.

Эти изменения влияют на ресурс и структуру ЭРЦ двигателя. Для совершенствования структуры ЭРЦ двигателей КамАЗ-Евро необходимы теоретически и экспериментально обоснованные зависимости параметров технического состояния ресурсоопределяющих элементов от наработки.

23

2 МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью экспериментальных исследований в работе является проверка реализуемости и оценка эффективности разработанных теоретических положений и технических решений по повышению долговечности автомобильных двигателей.

2.1Программа и общая методика исследования

Всоответствии с поставленной целью и сформулированными задачами работы разработана схема программы и общей методики исследования, которая приведена на рис. 2.1. Она включает в себя анализ состояния проблемы, при этом обращено внимание на проблемную ситуацию не только по литературному обзору, но и на особенности реального состояния изучаемой проблемы в автотранспортных предприятиях (АТП). На основании этого сформулированы задачи исследования, в которых аналитическая часть представлена изменением технического состояния основных элементов двигателя, рассмотрена кинетика предотказного состояния ресурсоопределяющих деталей, а также исследована физика процессов формирования металлопокрытий при восстановлении деталей. Экспериментальная часть работы представлена методикой сбора и обработки данных по техническому состоянию элементов двигателя в процессе эксплуатации, разработкой методик и средств измерения параметров, технического состояния элементов двигателя внутреннего сгорания, а также методикой определения параметров поверхностного слоя металлопокрытий при восстановлении деталей. Анализ результатов экспериментальных исследований представлен анализом параметров технического состояния деталей от наработки, а также разработкой методов и средств диагностирования и совершенствованием технологических процессов восстановления ресурсоопределяющих деталей и формированием структуры ЭРЦ двигателя. Результатом являются практические рекомендации и технико-экономическая оценка исследований.

24

2.2Методика аналитического исследования

Впроцессе теоретических исследований изучаемой проблемы, были проанализированы условия работы основных элементов форсированных двигателей и их конструктивные особенности. Получены математические модели изменения диагностических параметров рассматриваемых деталей

впроцессе эксплуатации.

Характер моделей вероятностный, поскольку течение их зависит от различных факторов, в большинстве своем случайных.

На основе ранее проведенного математического моделирования, для определения фактическое техническое состояние ресурсоопределяющих деталей силового агрегата, выполнены эксплуатационные исследования. Исследуемые параметры определялись с использованием метода наименьших квадратов.

Для определения напряжённо-деформированного состояния основных деталей двигателя использовали метод конечных элементов (МКЭ), базирующийся на положениях теории упругости и пластичности, он позволяет провести углубленный анализ геометрической формы, включая участки сложной конфигурации, зоны концентрации напряжений и области контактного взаимодействия в сопряжениях. В соответствии с рассматриваемыми положениями объемное напряженное состояние описывается законом Гука [31]:

где {σ}T={ σx σy σz τxy τyz τxz} – вектор напряжений; σx, σy, σz и τxy, τyz, τxz – нормальные напряжения по осям OX, OY, OZ и касательные напряжения

соответственно; {ε}t={ εx εy εz γxy γyz γxz} – вектор деформаций; εx, εy, εz и γxy, γyz, γxz – относительные линейные деформации по направлению осей

OX, OY, OZ и угловые деформации соответственно. Матрица упругости при этом будет иметь вид:

матрица упругости,

26

этих выражениях Е – модуль упругости и µ – коэффициент Пуассона материала объекта исследования).

Деформации связаны с перемещениями {ε}T=[D]T{q}, где [D]T – матрица дифференцирования:

Для построения трехмерной конечно-элементной модели деталей, с целью определения перемещений, напряжений, создавали твердотельную модель с последующей генерацией конечно-элементной сетки определенной геометрической формы (тетраэдры). Признаки конечного элемента характеризуют свойства материала (упругие характеристики, плотность, толщину элемента), параметры внешней нагрузки, действующей на грани элементов, расположенных на границе. Вычисление осуществляли с помощью прикладного пакета программы – APM Win Machine 9.7, позволяющей определять усилия, действующие на каждый конечный элемент.

Перед решением полученной системы уравнений задавали кинематические граничные условия, простейшим видом которых является ограничение перемещения детали как одного целого. Для реализации этого условия достаточно ограничить перемещение одного узла в двух направлениях и перемещение любого другого узла в одном направлении [31].

Все виды распределенных нагрузок ЭВМ приводит к эквивалентным узловым усилиям при формировании системы уравнений.

После решения сформированной системы уравнений ЭВМ выполняет расчет деформаций и напряжений в каждом конечном элементе и отображает результаты расчета в виде таблиц перемещений узлов, напряжений в элементах и узлах, полей напряжений детали.

С целью определения результатов исследований, реального состояния исследуемых элементов, разработаны методики определения изменений состояния ресурсоопределяющих элементов двигателя: методики стендовых исследований и методики исследовании в процессе работы силового агрегата (моторные, эксплуатационные). На основе результатов экспериментальных исследований разрабатываются практические рекомендации

27

по совершенствованию технологии восстановления ресурсоопределяющих элементов двигателя. По результатам внедрения предложенных методов повышения долговечности форсированных двигателей приводится технико-экономическая оценка результатов исследований.

2.3 Методика измерения деталей

Измерение деталей проводилось в соответствии с требованиями ГОСТ

14846-81 [8].

Контроль геометрических параметров исследуемых элементов осуществлялся стандартным мерительным инструментом согласно требованию РД 50-90-86 [21] и ГОСТ 8.051-81 [9].

Для измерения соосности постелей блока двигателя КамАЗ было изготовлено специальное приспособление (патент № 104691) [23], внешний вид которого и схема измерения соосности приведены на рис. 2.2.

в

Рис. 2.2. Внешний вид приспособления (а), базирование в опорах (б) и схема измерения соосности постелей блока двигателя КамАЗ (в)

Данное приспособление базируется по торцевой поверхности отверстий коренных опор с помощью самоцентрирующихся конусных шайб (рис. 2.2). Измерение проводили с помощью индикатора часового

28

типа, с ценой деления 1 мкм, закрепленного на втулке, которая имеет возможность перемещения по валу, вдоль измеряемой оси. Измерение проводили следующим образом: выставляли индикатор на 0 с натягом; перемещая втулку с индикатором вдоль измеряемой оси, фиксировали показания прибора на каждой опоре, затем, поворачивая вал с втулкой на 45 градусов, повторяли измерения, измеряли отклонение от номинального размера по двум поясам в четырех плоскостях. При отклонении размеров более чем на 0,03 мм блок двигателя отправляли на восстановление.

Чтобы избежать смещения втулки с измерительным инструментом по диаметру вала, по всей длине вала отфрезерован паз, в который входит центрирующий винт, закрепленный во втулке.

Измерения геометрических отклонений размеров и формы шатуна осуществлялось изготовленным специальным устройством (патент РФ № 68755) [26, 23], внешний вид которого и схема измерения отклонений приведены на рис.2.3, 2.4.

Рис. 2.3. Приспособление для определения прогиба стержня шатуна и корсетности нижней головки шатуна (внешний вид)

б

а

Рис. 2.4. Схема определения корсетности (а)

и деформации (б) стержня шатуна на приспособлении

29

Измерение каждого пояса измеряемой поверхности производилось 5 раз, и в таблицы данных вносились средние значения [21]. Измерения проводились в соответствии с ГОСТ 8.050-73 [8]. Погрешности измерений не превышали допустимые значения по ГОСТ 8.051-81 [8].

При определении корсетности (отклонение образующей поверхности от прямолинейности) устройство работает следующим образом (рис. 2.4,

а):

–шатун базируется по торцовой поверхности нижней головки и закрепляется на приспособлении;

–вращением рукоятки 1 опускаем индикатор, закрепленный на штанге 4, до касания измерительным наконечником 6 поверхности отверстия нижней головки шатуна;

–выставляем шкалу индикатора на ноль;

–проводим измерения отверстия, опуская штангу 4 вращением рукоятки 1;

–проверяем отклонения образующей поверхности отверстия от прямолинейности.

При определении деформации стержня шатуна устройство работает следующим образом (рис. 2.4, б):

–шатун базируется по торцовой поверхности нижней головки и закрепляется на приспособлении;

–вращением рукоятки 1 опускаем индикатор, закреплённый на штанге 4, до касания измерительным наконечником 6 поверхности отверстия верхней головки шатуна;

–выставляем шкалу индикатора на ноль;

–проводим измерения деформации стержня шатуна, опуская штангу 4

изакрепленный на ней стрелочный индикатор часового типа, вращением рукоятки 1;

–отклонение стрелки индикатора более 0,06 мм говорит о деформации стержня шатуна, превышающей допустимое значение, установленное заводом-изготовителем [16].

2.4 Методика определения трибологических характеристик

Определение трибологических характеристик трущихся поверхностей проводили на четырехшариковой машине трения, в соответствии с ГОСТ 9490-75. Настоящий стандарт устанавливает метод определения основных трибологических характеристик смазочных материалов:

–несущей способности – по критической нагрузке Рк;

–предельной нагрузочной способности – по нагрузке сваривания Рс;

–противоизносных свойств – по диаметру пятна износа Dи;

–противозадирных свойств – по индексу задира Из.

30